水蒸氣傳遞膜到氣體擴散分離器的附接的製作方法
2023-05-19 07:55:06
專利名稱：水蒸氣傳遞膜到氣體擴散分離器的附接的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種水蒸汽傳遞裝置，尤其地涉及用於水蒸汽傳遞裝置的裝配的系統和方法。
背景技術：
燃料電池系統越來越多地用作各式各樣的應用中的功率源。例如，已提出在車輛中將燃料電池系統用作內燃機的替換。燃料電池系統還可用作建築和住宅中的固定發電站、攝影機、計算機中的可攜式電源等等。通常，燃料電池系統包括布置在燃料電池組中以發電的多個燃料電池，該燃料電池系統用於給蓄電池充電或向電動機提供功率。已知典型的燃料電池為聚合物電解質膜(PEM)燃料電池，該燃料電池將諸如氫的燃料與諸如氧的氧化劑結合以產生電和水。氧通常由空氣流供應。為了在期望的效率範圍內運行，應維持燃料電池的聚合物電解質膜足夠潤溼。足夠的潤溼合乎需要地延長燃料電池中的電解質膜的有效壽命，以及維持期望的工作效率。作為燃料電池系統的一部分，水蒸汽傳遞(WVT)裝置可用於潤溼進入燃料電池組的空氣流。WVT裝置將來自燃料電池組的排氣流中的水蒸氣傳遞至進入燃料電池組的饋送流。這通常通過利用僅允許水蒸汽通過的水蒸汽傳遞膜實現。該膜可永久地附接至稱為分離器的擴散介質層，該擴散介質層控制氣流。膜附接至分離器的位置希望是無洩漏的。在Skala的美國專利申請公開No. 2009/0092863中公開了一種用於燃料電池系統的示例性水蒸汽傳輸裝置，因此該專利申請的全部公開在此以參考的方式併入。Skala描述了一種用於水蒸汽傳輸裝置的板，該板具有由擴散介質形成的頂層和由擴散介質形成的底層。一排大致平面的細長帶狀物設置在頂層擴散介質與底層擴散介質之間。膜粘附至頂層擴散介質和底層擴散介質中的至少一個。還已知製造一種由塑料板組成的水蒸汽傳遞分離器，塑料板具有機械加工或模製在塑料板中的流動通道。氣體擴散層和膜層利用壓敏粘合劑(PSA)附接至塑料板。然而， PSA施加困難並且費時。另外，在沒有正確地施加PSA的情況下，得到的水蒸汽傳遞裝置通常不能修理。存在對一種製造系統和方法的持續需求，以將水蒸汽傳遞膜有效且永久地結合至氣體擴散分離器。希望的是，製造過程在水蒸汽傳遞膜與分離器之間形成耐用的無洩漏的結合，在不會不利地影響得到的水蒸汽傳遞裝置的水蒸汽傳遞率的情況下產生滿足特定面積中的尺寸和平面度公差的組件，以及能容易地結合到卷裝進出法或分批成片法中。
發明內容
根據本發明，令人驚訝地發現一種將水蒸汽傳遞膜有效且永久地結合至氣體擴散分離器的製造過程，其在水蒸汽傳遞膜與分離器之間形成耐用的無洩漏的結合，在不會不利地影響得到的水蒸汽傳遞裝置的水蒸汽傳遞率的情況下產生滿足特定面積中的尺寸和平面度公差的組件，並且能容易地結合到卷裝進出法或分批成片法中。
在一個實施例中，用於燃料電池的水蒸汽傳遞裝置包括一對擴散介質層。擴散介質層中的每個擴散介質層均具有第一邊緣和第二邊緣。一對邊緣襯條設置在擴散介質層之間。邊緣襯條中的一個邊緣襯條鄰近擴散介質層中的每個擴散介質層的第一邊緣設置。邊緣襯條中的另一邊緣襯條鄰近擴散介質層中的每個擴散介質層的第二邊緣設置。邊緣襯條通過熱熔性粘合劑結合至擴散介質層中的每個擴散介質層。一排細長線設置在擴散介質層之間並設置在邊緣襯條中間。細長線通過熱熔性粘合劑結合至擴散介質層中的每個擴散介質層。細長線限定擴散介質層之間的多個流動通道。擴散介質層、邊緣襯條和細長線設置在一對聚合物膜之間。聚合物膜通過來自邊緣襯條的熱熔性粘合劑鄰近邊緣襯條結合至擴散介質層。聚合物膜在邊緣襯條之間沒有結合至擴散介質層。在另一實施例中，一種用於水蒸汽傳遞裝置的裝配的方法首先包括提供分離器組件的步驟。分離器組件包括設置在一對擴散介質層之間的一對邊緣襯條和一排細長線。邊緣襯條中的一個邊緣襯條鄰近擴散介質層中的每個擴散介質層的第一邊緣設置。邊緣襯條中的另一個邊緣襯條鄰近擴散介質層中的每個擴散介質層的第二邊緣設置。邊緣襯條通過熱熔性粘合劑結合至擴散介質層中的每個擴散介質層。細長線排大致與第一邊緣和第二邊緣平行布置在邊緣襯條中間。細長線通過熱熔性粘合劑結合至擴散介質層中的每個擴散介質層並限定擴散介質層之間的多個流動通道。聚合物膜設置在分離器組件的擴散介質層中的每個擴散介質層上。對分離器組件施加熱和壓力，以使邊緣襯條的熱熔粘合劑塗層熔化並滲透通過擴散介質層並接觸聚合物膜。使線的熱熔粘合劑塗層熔化並僅滲透到擴散介質層中。然後，冷卻分離器組件，以使邊緣襯條和線上的熱熔粘合劑塗層固化並將邊緣襯條結合至擴散介質層和聚合物膜兩者。線在分離器組件的冷卻期間僅結合至擴散介質層，從而形成水蒸汽傳遞裝置。在另一實施例中，一種用於水蒸汽傳遞裝置的裝配的系統包括用於施加熱和壓力的裝置，以使邊緣襯條的粘合劑塗層熔化並滲透通過擴散介質層並接觸聚合物膜。本發明還提供以下技術方案
方案1. 一種用於燃料電池的水蒸汽傳遞裝置，包括
一對擴散介質層，所述擴散介質層中的每個擴散介質層均具有第一邊緣和第二邊緣； 一對邊緣襯條，所述邊緣襯條設置在所述擴散介質層之間，所述邊緣襯條中的一個邊緣襯條鄰近所述擴散介質層中的每個擴散介質層的所述第一邊緣設置，而所述邊緣襯條中的另一邊緣襯條鄰近所述擴散介質層中的每個擴散介質層的所述第二邊緣設置，所述邊緣襯條通過熱熔粘合劑結合至所述擴散介質層中的每個擴散介質層；
一排細長線，所述排細長線設置在所述擴散介質層之間並大致與所述第一邊緣和所述第二邊緣平行布置在所述對邊緣襯條之中間，所述細長線通過熱熔粘合劑結合至所述擴散介質層中的每個擴散介質層並限定所述擴散介質層之間的多個流動通道；
一對聚合物膜，所述擴散介質層、所述邊緣襯條和所述細長線設置在所述聚合物膜之間，所述聚合物膜通過來自所述邊緣襯條的熱熔粘合劑鄰近所述邊緣襯條結合至所述擴散介質層，所述聚合物膜在所述對邊緣襯條之中間不結合至所述擴散介質層。方案2.根據方案1所述的水蒸汽傳遞裝置，其中所述邊緣襯條和所述細長線塗有所述熱熔粘合劑。方案3.根據方案2所述的水蒸汽傳遞裝置，其中所述邊緣襯條上的所述熱熔粘合劑塗層具有比所述線上的熱熔粘合劑塗層的厚度大的厚度。方案4.根據方案3所述的水蒸汽傳遞裝置，其中所述邊緣襯條上的熱熔粘合劑塗層的厚度足以滲透通過所述擴散介質層並結合所述聚合物膜。方案5.根據方案4所述的水蒸汽傳遞裝置，其中所述線上的所述粘合劑塗層的厚度不足以滲透通過所述擴散介質層並結合所述聚合物膜。方案6.根據方案1所述的水蒸汽傳遞裝置，其中所述擴散介質層由玻璃纖維、玻璃基紙、碳纖維和碳基紙中的一種形成。方案7.根據方案1所述的水蒸汽傳遞裝置，其中所述邊緣襯條和所述線由聚丙烯和玻璃中的一種形成。方案8. —種用於水蒸汽傳遞裝置的裝配的方法，所述方法包括步驟
提供分離器組件，所述分離器組件包括設置在一對擴散介質層之間的一對邊緣襯條和一排細長線，所述邊緣襯條中的一個邊緣襯條鄰近所述擴散介質層中的每個擴散介質層的第一邊緣設置，而所述邊緣襯條中的另一邊緣襯條鄰近所述擴散介質層中的每個擴散介質層的第二邊緣設置，所述邊緣襯條通過熱熔粘合劑結合至所述擴散介質層中的每個擴散介質層，並且所述排細長線大致與所述第一邊緣和所述第二邊緣平行布置在所述對邊緣襯條中間，所述細長線通過熱熔粘合劑結合至所述擴散介質層中的每個擴散介質層並限定所述擴散介質層之間的多個流動通道；
將聚合物膜設置在所述分離器組件的所述擴散介質層中的每個擴散介質層上； 對所述分離器組件施加熱和壓力，以使所述邊緣襯條的粘合劑塗層熔化並滲透通過所述擴散介質層和接觸所述聚合物膜，並使所述線的粘合劑塗層熔化並僅滲透到所述擴散介質層中且不接觸所述聚合物膜；
冷卻所述分離器組件以使所述邊緣襯條和所述線上的熱熔粘合劑塗層凝固並將所述邊緣襯條結合至所述擴散介質層和所述聚合物膜兩者，並將所述線僅結合至所述擴散介質層，從而形成所述水蒸汽傳遞裝置。方案9.根據方案8所述的方法，其中在將所述聚合物膜設置在所述擴散介質層上之前進行施加熱和壓力的步驟，以使所述邊緣襯條和所述線的熱熔粘合劑塗層熔化並滲透到所述擴散介質層中。方案10.根據方案9所述的方法，其中還在將所述聚合物膜設置在所述分離器組件的所述擴散介質層中的每個擴散介質層上之後進行施加熱和壓力的步驟，以使所述邊緣襯條的熱熔粘合劑塗層熔化並接觸所述聚合物膜。方案11.根據方案10所述的方法，其中僅在所述分離器組件的第一邊緣和第二邊緣處進行將所述聚合物膜設置在所述分離器組件的所述擴散介質層中的每個擴散介質層上之後施加熱和壓力的步驟，所述邊緣襯條設置在所述第一邊緣和所述第二邊緣下方。方案12.根據方案10所述的方法，其中提供所述分離器組件的步驟包括以下步驟
提供一對擴散介質層，所述擴散介質層中的每個擴散介質層均具有第一邊緣和第二邊緣；一對邊緣襯條，所述邊緣襯條具有熱熔粘合劑塗層；和一排細長線，所述排細長線具有熱熔粘合劑塗層；以及
將所述邊緣襯條和所述細長線設置在所述擴散介質層之間以形成分離器組件，所述邊緣襯條中的一個邊緣襯條鄰近所述擴散介質層中的每個擴散介質層的所述第一邊緣設置， 而所述邊緣襯條中的另一邊緣襯條鄰近所述擴散介質層中的每個擴散介質層的所述第二邊緣設置，所述線設置在所述擴散介質層之間並大致與所述第一邊緣和所述第二邊緣平行布置在所述對邊緣襯條中間。方案13. —種用於水蒸汽傳遞裝置的裝配的系統，所述水蒸汽傳遞裝置具有設置在一對聚合物膜之間的分離器組件，所述分離器組件包括設置在一對擴散介質層之間的一對邊緣襯條和一排細長線，所述邊緣襯條中的一個邊緣襯條鄰近所述擴散介質層中的每個擴散介質層的第一邊緣設置，而所述邊緣襯條中的另一邊緣襯條鄰近所述擴散介質層中的每個擴散介質層的第二邊緣設置，所述邊緣襯條通過熱熔粘合劑結合至所述擴散介質層中的每個擴散介質層，並且所述排細長線大致與所述第一邊緣和所述第二邊緣平行布置在所述對邊緣襯條中間，所述細長線通過熱熔粘合劑結合至所述擴散介質層中的每個擴散介質層並限定所述擴散介質層之間的多個流動通道，所述系統包括
用於施加熱和壓力的裝置，以使所述邊緣襯條的粘合劑塗層熔化並滲透通過所述擴散介質層和接觸所述聚合物膜。方案14.根據方案13所述的系統，還包括
一對擴散介質層輥，所述擴散介質層輥連續地提供所述一對擴散介質層； 一對邊緣襯條輥，所述邊緣襯條輥提供一對邊緣襯條，所述邊緣襯條具有熱熔粘合劑的塗層；
線分配子系統，所述線分配子系統提供一排線，所述線具有熱熔粘合劑的塗層；以及一對膜輥，所述膜輥將所述一對聚合物膜設置在所述擴散介質層上； 其中用於施加熱和壓力的所述裝置包括一對第一加熱輥，所述第一加熱輥具有層壓所述擴散介質層之間的所述邊緣襯條和所述排線以形成所述分離器組件的輥隙。方案15.根據方案14所述的系統，其中所述膜輥向所述第一加熱輥的所述輥隙提供聚合物膜，所述第一加熱輥還層壓所述聚合物膜之間的所述擴散介質層、所述邊緣襯條、所述線。方案16.根據方案14所述的系統，還包括一對第二加熱輥，所述第二加熱輥包括接收所述分離器組件和所述聚合物膜的輥隙，所述第二加熱輥層壓所述聚合物膜之間的所述分離器組件。方案17.根據方案16所述的系統，其中所述第二加熱輥各自包括構造成接觸所述聚合物膜並對所述聚合物膜和所述分離器組件施加熱和壓力的凸起部分。方案18.根據方案17所述的系統，其中所述第二加熱輥的所述凸起部分是加熱盤，所述加熱盤包括用於將所述聚合物膜壓在所述分離器組件上的輥隙，並且其中所述第二加熱輥在所述凸起部分之間不接觸所述聚合物膜。方案19.根據方案14所述的系統，還包括一對切割輥，所述切割輥包括用於在將所述聚合物膜設置在所述分離器組件的所述擴散介質層上之後切割所述水蒸汽傳遞裝置的刀片。方案20.根據方案13所述的系統，其中用於施加熱和壓力的所述裝置包括用於接納所述分離器組件和所述一對聚合物膜的一對壓板，並且其中加熱所述壓板中的至少一塊壓板。
尤其地當根據在此描述的附圖考慮時，本發明的以上以及其他的優點將從以下的詳細說明對本領域的技術人員變得容易顯而易見。圖1A-1C圖示根據本發明的水蒸汽傳遞裝置的裝配的分步序列；
圖2圖示根據本發明的一個實施例用於水蒸汽傳遞裝置的裝配的連續系統； 圖3圖示根據本發明的另一實施例用於水蒸汽傳遞裝置的裝配的連續系統；以及圖4A-4B圖示根據本發明的另一實施例用於水蒸汽傳遞裝置的裝配的成批系統。
具體實施例方式以下的詳細說明和附圖描述並圖示了本發明的各種實施例。說明和附圖用於使得本領域的技術人員能夠製造並使用本發明，並且不以任何方式限制本發明的範圍。關於公開的方法，介紹的步驟的順序本質上是示例性的，並因此不是必需的或關鍵的。如圖1A-1C所示，本發明包括用於燃料電池系統的水蒸汽傳遞裝置2。水蒸汽傳遞裝置2具有一對擴散介質層4、6。擴散介質層4、6中的每個擴散介質層均具有第一邊緣 8和第二邊緣10。作為非限制性示例，擴散介質層6、8由玻璃纖維、玻璃基紙、碳纖維和碳基紙中的一種製成。本領域的技術人員可如所需要地為擴散介質層6、8選擇其他滲透性材料。一對邊緣襯條12、14設置在擴散介質層4、6之間。邊緣襯條中的一個邊緣襯條12 鄰近擴散介質層4、6中的每個擴散介質層的第一邊緣8設置。邊緣襯條中的另一邊緣襯條 14鄰近擴散介質層4、6中的每個擴散介質層的第二邊緣10設置。邊緣襯條12、14通過熱熔性粘合劑16結合至擴散介質層4、6中的每個擴散介質層。作為非限制性示例，邊緣襯條 12、14可由聚丙烯形成。還可採用其他的材料，所述其他的材料在使用中對與水蒸汽傳遞裝置2相關的環境條件具有合適的抗耐性。一排細長線18設置在擴散介質層4、6之間。細長線18還設置在邊緣襯條12、14 中間。儘管在圖1A-1C中僅示出三根細長線18，但應理解的是，根據本發明可以有更多的細長線18並且所述線18通常設置成排列。細長線18通過熱熔性粘合劑20結合至擴散介質層4、6中的每個擴散介質層。細長線18限定擴散介質層4、6之間的多個流動通道22。擴散介質層4、6與細長線18裝配，以形成用於水蒸汽傳遞裝置2的分離器組件M。水蒸汽傳遞裝置2還包括一對聚合物膜沈、28。聚合物膜沈、觀可由適於允許水蒸汽通過的任一材料形成。作為非限制性示例，聚合物膜沈、觀可由全氟磺酸(PFSA)形成。 在本發明的範圍內還可採用用於水蒸汽傳遞的其他聚合物膜沈、28。形成分離器組件M的擴散介質層4、6、邊緣襯條12、14和細長線18設置在聚合物膜沈、觀之間。聚合物膜沈、觀通過來自邊緣襯條12、14的熱熔性粘合劑16鄰近邊緣襯條12、14結合至擴散介質層4、6。聚合物膜沈、觀在邊緣襯條12、14之間沒有結合至擴散介質層4、6。在說明性實施例中，邊緣襯條12、14和細長線18塗有熱熔性粘合劑16、20。在特定的實施例中，邊緣襯條上的粘合劑塗層16具有比線18上的熱熔性粘合劑20的厚度大的厚度。邊緣襯條12、14上的熱熔粘合劑塗層16的厚度足以滲透通過擴散介質層4、6並與聚合物膜26J8結合。線18上的粘合劑塗層20的厚度不足以滲透通過擴散介質層4、6並與聚合物膜26J8結合。在一個實施例中，邊緣襯條12、14上的熱熔粘合劑塗層16的厚度在邊緣襯條12、14的每一側上近似為0. 100mm,而在線18上熱熔粘合劑塗層20的厚度近似為0. 050mm。應意識到的是，熱熔粘合劑16、20的相對厚度可取決於邊緣襯條12、14和線 18設置在其之間的擴散介質層4、6的厚度而改變。邊緣襯條12、14和細長線18中的每一個上的熱熔性粘合劑16、20可如所需要地相同或不同。可使用對水蒸汽傳遞裝置2的操作環境具有足夠的抗耐性的用於熱熔性粘合劑16、20的材料。作為非限制性示例，熱熔性粘合劑16、20可包括乙烯-醋酸乙烯(EVA) 聚合物、丙烯酸乙酯聚合物或聚乙烯聚合物。在特定的實施例中，熱熔性粘合劑16、20是市場上可從E. I.du Pont de Nemours and Company 買至Ij的 DuPont Bynel 的可共擠塑的粘合用樹脂。可如所需要地採用用於熱熔性粘合劑16、20的其他合適的材料。本發明包括用於水蒸汽傳遞裝置2的裝配的方法。該方法首先可包括提供一對擴散介質層4、6的步驟、提供具有熱熔粘合劑塗層16的一對邊緣襯條12、14的步驟、和提供具有熱熔粘合劑塗層20的細長線18排的步驟。將邊緣襯條12、14和細長線18設置在擴散介質層4、6之間，以形成分離器組件M。邊緣襯條12、14中的一個邊緣襯條鄰近擴散介質層4、6中的每個擴散介質層的第一邊緣8設置。邊緣襯條12、14中的另一邊緣襯條鄰近擴散介質層4、6中的每個擴散介質層的第二邊緣10設置。線18布置在擴散介質層4、6之間和邊緣襯條12、14中間。線18可大致與第一和第二邊緣8、10平行布置。儘管可如在上文中所描述地裝配分離器組件M，但本領域的技術人員應理解的是，可為隨後與聚合物膜沈、28的裝配提供預裝配的分離器組件24，以形成水蒸汽傳遞裝置2。分離器組件M可如所需要地設置成離散的預裝配板、或設置成以連續卷的形式。然後，將聚合物膜沈、觀中的一個聚合物膜設置在分離器組件M的擴散介質層4、 6中的每個擴散介質層上。可例如如圖2所示在分離器組件M的形成之後、或者例如如圖 3所示與分離器組件M的形成同時，將聚合物膜沈、觀設置在擴散介質層4、6上。對分離器組件M施加熱和壓力的組合，以使邊緣襯條12、14的熱熔粘合劑塗層16 熔化並滲透通過擴散介質層4、6。一旦去除熱和壓力，熱熔性粘合劑16就冷卻並遍及擴散介質層4、6凝固，從而使邊緣襯條12、14與擴散介質層4、6結合。邊緣襯條12、14上的熱熔粘合劑塗層16還可接觸聚合物膜沈、28。在邊緣襯條12、14上初始的熱熔性粘合劑的量不足以接觸聚合物膜26的情況下，可塗覆附加的粘合劑30 (圖2所示)。還使線18的粘合劑塗層20熔化。線的粘合劑塗層20僅滲透到擴散介質層4、6中。線18的粘合劑塗層20 沒有接觸聚合物膜26、28。然後，冷卻分離器組件24，以使邊緣襯條12、14和線18上的熱熔粘合劑塗層16、 20凝固。熱熔粘合劑塗層16將邊緣襯條12、14結合至擴散介質層4、6和聚合物膜沈、28 兩者。線18的熱熔粘合劑塗層20將線18僅結合至擴散介質層4、6。因此，形成本發明的水蒸汽傳遞裝置2。應理解的是，基於所採用的熱熔粘合劑塗層16、20的類型選擇熱和壓力。熱和壓力還被選擇成在水蒸汽傳遞裝置2的通常運行條件下妨礙熱熔粘合劑塗層16、20的脫膠。 在非限制性示例中，在近似0. 1噸的壓力下將熱熔粘合劑塗層16、20加熱至近似300° F的溫度。作為非限制性示例，可對熱熔粘合劑塗層16、20施加熱和壓力達到近似30秒。可如所需要地選擇其他溫度、壓力和時間。還應意識到的是，可在將聚合物膜沈、觀設置在擴散介質層4、6上之前、或者在將聚合物膜26J8設置在擴散介質層4、6上之後執行施加熱和壓力的步驟。在將聚合物膜 26,28設置在擴散介質層4、6上之前施加熱和壓力的情況下，使邊緣襯條12、14和線18的熱熔粘合劑塗層16、20熔化並滲透到擴散介質層4、6中。此外在將聚合物膜沈、觀設置在擴散介質層4、6上之後施加熱和壓力的情況下，使邊緣襯條12、14的熱熔粘合劑塗層16熔化並且也接觸聚合物膜26、28。在圖2所示的特定的實施例中，在將聚合物膜沈、觀設置在分離器組件M的擴散介質層4、6上之後施加熱和壓力的步驟僅在設置有邊緣襯條12、14 的第一和第二邊緣8、10處執行。本發明的方法還可包括鄰近分離器組件M的擴散介質層4、6中的每個擴散介質層的第一邊緣8和第二邊緣10塗覆附加的粘合劑30的步驟。附加的粘合劑30可以是另一種熱熔性粘合劑。在圖2所示的特定實施例中，在將聚合物膜沈、觀設置在分離器組件 24的擴散介質層4、6上之前塗覆附加的粘合劑30。如圖2和3所圖示地，本發明還包括用於水蒸汽傳遞裝置2的裝配的連續系統 100。系統100包括一對擴散介質層輥102、一對邊緣襯條輥104、線分配子系統106、一對第一加熱輥108和一對膜輥110。擴散介質層輥102為水蒸汽傳遞裝置2連續地提供擴散介質層4、6。一對邊緣襯條輥104連續地提供具有熱熔粘合劑塗層16的邊緣襯條12、14。線分配子系統106連續地提供具有熱熔粘合劑塗層20的線18的排。線分配子系統106可包括從多個線捲軸107 接收線18並將線18布置成期望的排列的繩線對準工具111。在某些實施例中，邊緣襯條輥 104和線分配子系統106可向粘合劑塗布機子系統(未示出)提供無塗層的邊緣襯條12、 14和線18，在該粘合劑塗布機子系統處，在邊緣襯條12、14和線18被裝配在分離器組件M 中之前向它們塗覆熱熔粘合劑塗層16、20。一對第一加熱輥108具有接納擴散介質層4、6、邊緣襯條12、14和線18的輥隙 112。第一加熱輥108層壓擴散介質層4、6之間的邊緣襯條12、14和線排18，以形成分離器組件對。一對膜輥110將聚合物膜沈、觀放置在分離器組件M的擴散介質層4、6上，以形成水蒸汽傳遞裝置2。參考圖3，膜輥110向第一加熱輥108的輥隙112提供聚合物膜沈、28。因此，第一加熱輥108可將擴散介質層4、6、邊緣襯條12、14、線18和聚合物膜沈、觀夾在輥之間。 第一加熱輥提供足夠的熱和壓力，以使邊緣襯條12、14上的熱熔性粘合劑16熔化並結合至擴散介質層12、14和聚合物膜沈、28。第一加熱輥還提供足夠的熱，以使線18上的熱熔性粘合劑20熔化並僅結合至擴散介質層12、14。本領域的技術人員應理解的是，可限制線18 上的熱熔性粘合劑20的量，以便防止線18與聚合物膜沈、28的結合。在其他實施例中，線 18上的熱熔性粘合劑20的熔化溫度可高於邊緣襯條12、14上的熱熔性粘合劑16的熔化溫度，以便控制線18上的熱熔性粘合劑20熔化並滲透到擴散介質層4、6中的量。因此，可防止線18上的熱熔性粘合劑20與聚合物膜沈、28的結合。重新參考圖2，本發明的系統100還可包括一對第二加熱輥114，該對第二加熱輥 114具有用於接納分離器組件M和聚合物膜沈、28的輥隙116。該對第二加熱輥114可分別具有凸起部分118。凸起部分118構造成接觸聚合物膜沈、28並對聚合物膜沈、觀和分離器組件對施加熱和壓力。尤其地，第二加熱輥114的凸起部分118為加熱盤。凸起部分 118具有輥隙116，該輥隙116將聚合物膜沈、觀僅壓在分離器組件M的存在邊緣襯條12、 14的部分上。在說明性實施例中，凸起部分118僅對鄰近擴散介質層4、6的第一和第二邊緣8、 10的聚合物膜沈、觀和分離器組件M施加熱和壓力。同樣地，第二加熱輥114在凸起部分 118之間的剩餘部分不接觸聚合物膜沈、28。應意識到的是，凸起部分118僅施加熱和壓力以再次熔化邊緣襯條12、14上的熱熔性粘合劑16，以便使熱熔性粘合劑16與聚合物膜沈、 28結合。凸起部分118還防止線18上的熱熔性粘合劑20的再次熔化和線18與聚合物膜 26,28隨後不合需要的結合。本發明的連續系統100還可包括一對切割輥120。切割輥120可具有刀片，用於在將聚合物膜26J8設置在分離器組件M的擴散介質層4、6上之後切割水蒸汽傳遞裝置2。儘管在上文中描述的系統100是連續的，但本領域的技術人員應理解的是，本發明的方法還可例如如圖4A和4B所示地實踐為分批法。在特定的實施例中，將聚合物膜沈、 觀層壓成分離器組件M的分批工具可包括一對壓板200、202。如所需要地，加熱壓板200、 202中的一塊或多塊。在某些實施例中，如圖4A所示，壓板200、202可通過電致動、液壓致動和氣壓致動中的一個由壓板200、202中的一個的整體的垂直運動打開和閉合。在其他實施例中，如圖4B所示，可鉸接或蛤殼式連接的壓板200、202。可手動地致動鉸接或蛤殼式連接的壓板200、202，以打開和閉合。在僅加熱壓板200、202中的一塊的情況下，可首先將聚合物膜沈、28中的一塊聚合物膜插入分離器組件對與壓板200、202中的被加熱的一塊壓板之間。然後，使壓板200、 202以足夠的溫度和壓力閉合達足夠的時間量，以熔化分離器組件M的一側上的熱熔性粘合劑16。將組合的分離器組件M與聚合物膜沈、觀中的一塊聚合物膜翻過來。然後，將膜沈、觀中的另一塊膜插入壓板200、202中的被加熱的一塊壓板與分離器組件M之間。使壓板200、202再次閉合以熔化分離器組件M的另一側上的熱熔性粘合劑16。因此，可以分批法製造在上文中描述的水蒸汽傳遞裝置2。其中例如如圖4B所示作為一批一起形成多個水蒸汽傳遞裝置2，所述多個水蒸汽傳遞裝置2隨後可如所需要地在切割操作中被分開。同現有技術的壓敏粘合劑(PSA)比較起來，如在上文中公開的熱熔性粘合劑16、 20的採用提供許多優點。如果在邊緣襯條12、14上存在足夠量的熱熔性粘合劑16，則不需要向組件添加其它粘合劑。僅需要重新熔化已存在於邊緣襯條12、4和鄰近的擴散介質層 4、6中的熱熔性粘合劑16，以與聚合物膜沈、觀結合。重新熔化邊緣襯條12、14上的熱熔性粘合劑16有助於高容量輥式製造過程，在該製造過程中，分離器組件M的裝配和聚合物膜沈、觀的附接全部由同一系統100執行。由於同一熱熔性粘合劑16用於將邊緣襯條12、 14結合至擴散介質層4、6和聚合物膜沈、觀兩者，所以方法和系統100還減小水蒸汽傳遞裝置2的總高度。不存在需要將聚合物膜沈、觀和分離器組件M夾在中間所需的附加的粘合劑層。儘管為了例證本發明已示出某些代表性的實施例和細節，但對於本領域的技術人員顯而易見的是，在不偏離本發明的在所附權利要求中進一步描述的範圍的情況下可作出各種變化。
權利要求
1.一種用於燃料電池的水蒸汽傳遞裝置，包括一對擴散介質層，所述擴散介質層中的每個擴散介質層均具有第一邊緣和第二邊緣；一對邊緣襯條，所述邊緣襯條設置在所述擴散介質層之間，所述邊緣襯條中的一個邊緣襯條鄰近所述擴散介質層中的每個擴散介質層的所述第一邊緣設置，而所述邊緣襯條中的另一邊緣襯條鄰近所述擴散介質層中的每個擴散介質層的所述第二邊緣設置，所述邊緣襯條通過熱熔粘合劑結合至所述擴散介質層中的每個擴散介質層；一排細長線，所述排細長線設置在所述擴散介質層之間並大致與所述第一邊緣和所述第二邊緣平行布置在所述對邊緣襯條之中間，所述細長線通過熱熔粘合劑結合至所述擴散介質層中的每個擴散介質層並限定所述擴散介質層之間的多個流動通道；一對聚合物膜，所述擴散介質層、所述邊緣襯條和所述細長線設置在所述聚合物膜之間，所述聚合物膜通過來自所述邊緣襯條的熱熔粘合劑鄰近所述邊緣襯條結合至所述擴散介質層，所述聚合物膜在所述對邊緣襯條之中間不結合至所述擴散介質層。
2.根據權利要求1所述的水蒸汽傳遞裝置，其中所述邊緣襯條和所述細長線塗有所述熱熔粘合劑。
3.根據權利要求2所述的水蒸汽傳遞裝置，其中所述邊緣襯條上的所述熱熔粘合劑塗層具有比所述線上的熱熔粘合劑塗層的厚度大的厚度。
4.根據權利要求3所述的水蒸汽傳遞裝置，其中所述邊緣襯條上的熱熔粘合劑塗層的厚度足以滲透通過所述擴散介質層並結合所述聚合物膜。
5.根據權利要求4所述的水蒸汽傳遞裝置，其中所述線上的所述粘合劑塗層的厚度不足以滲透通過所述擴散介質層並結合所述聚合物膜。
6.根據權利要求1所述的水蒸汽傳遞裝置，其中所述擴散介質層由玻璃纖維、玻璃基紙、碳纖維和碳基紙中的一種形成。
7.根據權利要求1所述的水蒸汽傳遞裝置，其中所述邊緣襯條和所述線由聚丙烯和玻璃中的一種形成。
8.一種用於水蒸汽傳遞裝置的裝配的方法，所述方法包括步驟提供分離器組件，所述分離器組件包括設置在一對擴散介質層之間的一對邊緣襯條和一排細長線，所述邊緣襯條中的一個邊緣襯條鄰近所述擴散介質層中的每個擴散介質層的第一邊緣設置，而所述邊緣襯條中的另一邊緣襯條鄰近所述擴散介質層中的每個擴散介質層的第二邊緣設置，所述邊緣襯條通過熱熔粘合劑結合至所述擴散介質層中的每個擴散介質層，並且所述排細長線大致與所述第一邊緣和所述第二邊緣平行布置在所述對邊緣襯條中間，所述細長線通過熱熔粘合劑結合至所述擴散介質層中的每個擴散介質層並限定所述擴散介質層之間的多個流動通道；將聚合物膜設置在所述分離器組件的所述擴散介質層中的每個擴散介質層上；對所述分離器組件施加熱和壓力，以使所述邊緣襯條的粘合劑塗層熔化並滲透通過所述擴散介質層和接觸所述聚合物膜，並使所述線的粘合劑塗層熔化並僅滲透到所述擴散介質層中且不接觸所述聚合物膜；冷卻所述分離器組件以使所述邊緣襯條和所述線上的熱熔粘合劑塗層凝固並將所述邊緣襯條結合至所述擴散介質層和所述聚合物膜兩者，並將所述線僅結合至所述擴散介質層，從而形成所述水蒸汽傳遞裝置。
9.一種用於水蒸汽傳遞裝置的裝配的系統，所述水蒸汽傳遞裝置具有設置在一對聚合物膜之間的分離器組件，所述分離器組件包括設置在一對擴散介質層之間的一對邊緣襯條和一排細長線，所述邊緣襯條中的一個邊緣襯條鄰近所述擴散介質層中的每個擴散介質層的第一邊緣設置，而所述邊緣襯條中的另一邊緣襯條鄰近所述擴散介質層中的每個擴散介質層的第二邊緣設置，所述邊緣襯條通過熱熔粘合劑結合至所述擴散介質層中的每個擴散介質層，並且所述排細長線大致與所述第一邊緣和所述第二邊緣平行布置在所述對邊緣襯條中間，所述細長線通過熱熔粘合劑結合至所述擴散介質層中的每個擴散介質層並限定所述擴散介質層之間的多個流動通道，所述系統包括用於施加熱和壓力的裝置，以使所述邊緣襯條的粘合劑塗層熔化並滲透通過所述擴散介質層和接觸所述聚合物膜。
10.根據權利要求9所述的系統，還包括一對擴散介質層輥，所述擴散介質層輥連續地提供所述一對擴散介質層；一對邊緣襯條輥，所述邊緣襯條輥提供一對邊緣襯條，所述邊緣襯條具有熱熔粘合劑的塗層；線分配子系統，所述線分配子系統提供一排線，所述線具有熱熔粘合劑的塗層；以及一對膜輥，所述膜輥將所述一對聚合物膜設置在所述擴散介質層上；其中用於施加熱和壓力的所述裝置包括一對第一加熱輥，所述第一加熱輥具有層壓所述擴散介質層之間的所述邊緣襯條和所述排線以形成所述分離器組件的輥隙。
全文摘要
本發明涉及水蒸氣傳遞膜到氣體擴散分離器的附接。用於燃料電池的水蒸氣傳遞裝置包括一對擴散介質層、一對邊緣襯條、一排細長線和一對聚合物膜。邊緣襯條中的一個設置在擴散介質層的第一邊緣之間。邊緣襯條中的另一個鄰近擴散介質層中的每個擴散介質層的第二邊緣設置。邊緣襯條通過熱熔性粘合劑結合至擴散介質層中的每個擴散介質層。細長線設置在擴散介質層之間並設置在邊緣襯條中間。細長線通過熱熔性粘合劑結合至擴散介質層中的每個擴散介質層並限定擴散介質層之間的多個流動通道。聚合物膜通過來自邊緣襯條的熱熔性粘合劑鄰近邊緣襯條結合至擴散介質層。
文檔編號H01M8/04GK102263275SQ201110140309
公開日2011年11月30日 申請日期2011年5月27日 優先權日2010年5月27日
發明者M. 古斯達 J. 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司